Caractéristiques des miroirs plans

Comment réagiriez-vous si on vous demandait de décrire les caractéristiques des images formées par des miroirs plans? Tout d'abord, vous devez être sûr de comprendre la terminologie en jeu. Est-ce qu'un "miroir plan" est quelque chose que vous utilisez pour vérifier votre apparence lors d'un vol transcontinental, ou est-ce quelque chose de plus banal ?

UNEmiroir planest le genre de miroir que vous êtes probablement le plus habitué à utiliser, bien que si les médias sociaux en sont une indication, les « selfies » ont largement remplacé les vrais miroirs au début du 21e siècle. Idéalement, un miroir plan consiste en une surface parfaitement plane sans distorsion et renvoie 100 % de la lumière qui le frappe (lumière incidente) à un angle prévisible.

Bien qu'aucun miroir ne soit « parfait », il est amusant de parler d'entités idéales en physique. Au cours de l'apprentissage des miroirs plans, vous aurez un avant-goût de la science générale de l'optique, et un sens de l'une des nombreuses façons dont vos yeux peuvent vous tromper au cours de leur travail exactement comme prévu.

La lumière, bien qu'elle soit presque partout la plupart du temps, est une entité difficile à décrire correctement, comme beaucoup de choses en physique. Vous pouvez l'apprécier en regardant simplement le nombre de façons dont la lumière est représentée non seulement dans les textes scientifiques mais aussi dans l'art. La lumière est-elle constituée de particules ou d'ondes? Les vagues pointent-elles dans une direction particulière ?

Dans tous les cas, la lumière visible par l'homme peut être décrite comme ayant une longueur d'onde comprise entre environ440 et 700 milliardièmes de mètre​ (10^–9 m, ou nm). Depuis la vitesse de la lumièrecest constant à environ 3×10⁸ m/s dans le vide, vous pouvez déterminer la fréquence de n'importe quelle source lumineuseνde sa longueur d'onde := c​.

Lorsque l'on parle de miroirs, il est pratique de représenter la lumière non pas comme des fronts d'onde (comme vous le verriez rayonner vers l'extérieur après avoir jeté un gros rocher dans un lac auparavant placide) mais comme des rayons. De même, les rayons provenant de la même source et frappant des portions adjacentes de miroirs peuvent être traités comme parallèles. Avec ce schéma, il est facile de calculer les angles impliqués dans les problèmes de miroir plan.

Lorsque les rayons lumineux frappent une surface physique, leur trajectoire peut changer de plusieurs façons. Les rayons peuvent rebondir sur la surface, la traverser ou une combinaison des deux.

Lorsque les rayons lumineux rebondissent sur un objet, cela s'appelleréflexion, et quand ils le traversent et sont courbés dans le processus, cela s'appelleréfraction. Ce dernier est une action de lentilles, alors que le seul souci avec les miroirs plans (et autres) est la réflexion.

leloi de la réflexionstipule quel'angle d'incidence des rayons lumineux frappant un miroir plan est égal à l'angle de réflexion,avec les deux mesurés par rapport à une ligne perpendiculaire à la surface du miroir.

Lorsque les miroirs et les lentilles « traitent » les rayons lumineux qui les frappent, ils « créent » des images littéralement façonnées par ces facteurs: la distance entre l'objet et le miroir (ou centre de la lentille) et la forme de la surface.

Par définition, les lentilles comprennent de multiples surfaces incurvées, tandis queconvexe(courbe vers l'extérieur) etconcaveles miroirs (incurvés vers l'intérieur) en contiennent chacun un; les miroirs plans représentent le scénario le plus simple de tout ce qui est mentionné ici.

Si l'image formée est du même côté que les rayons lumineux réfléchis ou réfractés, il s'agit d'unimage réelle. Cela signifie que pour les miroirs, une image réelle serait du même côté qu'une personne la regardant (par lentilles, ce serait de l'autre côté puisque la lumière est réfractée plutôt que réfléchie dans ce réglage). Les images qui apparaissent derrière un miroir (ou devant un objectif) sont appeléesimages virtuelles​.

Comment une image peut-elle se former « derrière » un miroir? Après tout, il n'y a peut-être rien d'autre que du béton solide sur des centaines de kilomètres... d'accord, pas des kilomètres, mais le mur pourrait être très épais. Mais réfléchissez un instant: lorsque vous vous regardez dans un miroir, où est exactement « la personne » que vous voyezapparaîtrepour te regarder depuis ?

Comme le suggèrent les résultats de l'exercice suggéré ci-dessus, l'image semble être derrière le miroir, mais ne l'est pas en réalité. C'est donc une image virtuelle. Où et comment cette image est-elle « trouvée » exactement ?

Si vous dessinez un diagramme montrant ces situations d'en haut, vous pouvez déterminer l'emplacement de l'image dans n'importe quel scénario de miroir plan en utilisant la loi de la réflexion. Par exemple, si un observateur se tient à 3 m d'un miroir à un angle de 45 degrés, son image se trouvera directement en face d'elle de l'autre côté du miroir. Mais jusqu'où ?

Utilisez lethéorème de Pythagorepour déterminer cela. La distance de 3 mètres entre l'observateur et le miroir est un triangle rectangle avec une hypoténuse de 3 côtés égauxstel que

C'est la distance perpendiculaire entre l'observateur et le miroir, donc l'image est deux fois cette distance de l'observateur, soit 4,24 m.

En plus d'être divisées en « réelles » et « virtuelles », les images peuvent également êtredroitou alorsinversé.Quiconque a déjà utilisé l'intérieur d'une cuillère comme miroir a vu un exemple d'image inversée. On dit que les miroirs plans créent des images verticales, mais il s'agit d'une description trompeuse ou du moins incomplète de ce qui se passe, car elle ne s'applique qu'à l'axe y, ou axe vertical.

Si vous vous regardez dans un miroir, le haut de votre tête est derrière et au-dessus de vos yeux par rapport au miroir, et en conséquence, les yeux de l'image sont plus proches et plus bas par rapport au miroir (et à vous) que l'arrière du tête de l'image. Les lignes reliant ces points, vues de côté, sont de même longueur, mais orientées différemment (mais symétriquement) dans l'espace. Ainsi l'imageestinversé – mais le long de l'axe des x !

• Une autre raison pour laquelle le "retournement" des images dans une direction horizontale par des miroirs plans est facile à manquer, ou du moins plus difficile à expliquer, est plus biologique que physique: Lorsque vous vous regardez dans un miroir, vous voyez un être qui est en général à symétrie bilatérale (c'est-à-dire qu'il peut être divisé en moitiés droite et gauche égales par une verticale avion). Si les gens avaient l'habitude de tourner la tête sur le côté pour se regarder dans des miroirs, cette propriété des miroirs serait probablement plus fermement ancrée dans l'esprit de la personne ordinaire.

Parmi les innombrables exemples de miroirs plans à usage scientifique, industriel et domestique figurent les miroirs plans à charnière. Ceux-ci représentent un bon moyen de démontrer les lois simples, mais souvent difficiles à traduire en expérience, régissant les miroirs plans du point de vue de la géométrie.

Si vous en avez l'occasion, essayez de mettre en place un ensemble de trois miroirs (vous n'avez peut-être pas de charnières, mais ce n'est pas un obstacle) orienté à des angles mutuels de 60 degrés, qui d'en haut ressemblerait à une roue de bicyclette avec trois également espacés rayons. Si vous avez un rapporteur, une source de lumière et des miroirs plus petits, vous pouvez faire et tester des prédictions sur les réflexions que vous "faites" en utilisant la géométrie de base comme indiqué ci-dessus.